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DlSPOSITIF POUR ~MP~CI~'R LA PEN~rll~TION l)ANS LE SOL
D'UN CO&~R DE R&A~TEUR NUCL&AiRE FONDU
DOMAINE TEC~NIQUE DE L'INVENTION
L~invention concerne un dispositi pour empêcher la pénétration dans
le sol d'un coeur de réacteur nucléaire ondu, notamment après perte
de contrôle et emballement du réacteur.
ETAT DE LA TEC~NIQUE
Pour la bonne compréllensiorl de l'invention, on rappelle qu'un réacteur
nucléaire à fission d'uranium est généralement constitué (figure
3) par un coeur I contenant le réacteur proprement dit, disposé à
l'intérieur d'une enceinte 2 en béton. Cette enceinte est elle-même
enermée dans une autre enceinte 3 dite de coninerment, également
en béton, avec un fond 4, appelé "radier", de 4 à 5 mètres d'épaisseur,
généralement supporté par des pilotis, de acon à constituer un ensemb-
le anti-sismique.
De récents incidents dans des centrales nucléaires ont montré que
des risques d'accidents majeurs, pouvant conduire à la fusion du
coeur, n'étaient pas à exclure. Dans ce cas, et notamment dans les
centrales du type de celles installées en France, le système de double
enveloppe et de filtres permet de confiner à l'intérieur de l'enceinte
les émanations radioactives. Par contre, il est à peu près certain
que la masse en fusion du corium ne pourra pas être stoppée, avec
tous les risques que cela comporte sur la solidité de l'infrastructure
de sauvegarde et de confinement, ainsi que, et surtout, sur la nappe
phréatique.
Après tout incident qui va conduire à la destruction du coeur d'un
réacteur, on se trouve en présence d'une masse, en fusion composée
essentiellement:
- d'une phase oxyde, énergétique puisqu'elle contient des produits
de fission, constituée principalement d'oxydes d'uranium et de zirco-
nium,
- et d'une phase métallique comportant notamment de l'acier, du zirca-
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5 3F~
loy, du chrome et divers autres métaux.
L~ensemble, appelé "corium" constitue une masse très énergétique
qui au bout d'un jour ou deux va conserver, du Eait de la radioactivité
de certains éléments et des réactions exothermiques de décomposition
du béton, une puissance résiduelle de l'ordre de 10 à 15 MW pour
un réacteur d'une puissance initiale de l'ordre de 1000 MW, et une
température que l'on a pu estirner à 2000C environ.
Cette masse en fusion attaque et décompose le bétorl du radier et
l'on estime qu'au bout de quelques heures la vitesse d'attaque est
de quelques centimètres à l'heure ~u bout de quelques jours, le
béton du soubassement du radier sera inexorablement traversé et le
corium ira jusque dans le sous-sol.
Par ailleurs, dès lors que le radier est traversé, I'étanchéité de
l'enceinte de conEinement n'est plus assurée et il peut se produire
des fuites de gaz radioactifs.
EXPOSE DU PROBL~ME
Compte-tenu des dangers que présente un réacteur ayant échappé au
contrôle, il est nécessaire de concevoir un moyen permettant de stopper
le corium avant qu'il n'atteigne le sous-sol, en s'opposant ainsi
aux risques majeurs que constitue la pollution du sous-sol et de
l'atmosphè}e du fait des Euites.
Vn tel dispositiE doit remplir la double fonction suivante:
- En contact avec le corium, il doit être réfractaire et inerte chimi-
quement vis à vis des constituants indiqués plus haut, jusqu'à des
températures de l'ordre de 20û0 à 2500C;
- Il doit évacuer le flux thermique résiduel genéré par le corium
en abaissant la température de l'interEace corium-réfractaire.
Ce matériau réEractaire et inerte devra, en outre, être associé à
des circuits de re~roidissement conçus et dimensionnés pour évacuer
le flux thermique ainsi transEéré.
* Zircaloy n'es-t pas une marque de commerce mais désigne
une famille d'alliages de zirconium.
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On ne connaît pas, à l'heure actuelle, de matériau capable d'assurer,
à lui seul, les deux fonctions et possédant une conductivité thermique
élevée dans l'intervalle de température concerné. Il faut donc séparer
les deux fonctions et les confier chacune à un matériau convenable.
On connaît déjà un revêtement de protection
pour la fosse de sécurité d'un réac-teur nucléaire,
constitué par une couche d~un matériau à haut point de fusion tel
que le dioxyde de thorium ou le dioxyde d'uranium, caractérisé en
ce qu'il comporte, sous une couche de ce matériau peu fusible, une
couche inférieure d'un matériau présentant une bonne conductivité
thermique, tel que le graphite. q~outeEois, ce dispositif est directe-
ment exposé à la chute du corium fondLI, en cas d'emballement du réac-
teur, et ce corium, encore peu étalé, comme le morltre la figure 1,
et porté encore à une température de plus de 2000C, risque de détruire
rapidement la partie centrale de la cuvette de rétention et de pour-
suivre sa descente de façon incorltrôlée.
OLJET DE L'INVENTION
Compte tenu de ce que l~on vient d'exposer, il apparaît que le moyen
pour empêcher la penétration dans le sol d~un coeur de réacteur nucléai-
re fondu, objet de la présente invention, sera constitué par une
cuvette circulaire en graphite très conducteur reposant sur des systè-
mes de refroidissement appropriés. La Eace interne de la cuvette
sera revêtue d'une couche de zircone dont l'épaisseur aura été calculée
pour que le graphite travaille dans la zone de température optimale.
Ladite cuvette sera insérée dans le coeur du radier de manière à
bloquer le corium dans le radier, tout en permettant à celui-ci de
conserver son étanchéité et, en outre on prévoit des moyens pour
assurer un étalement du corium fondu avant qu'il arrive au niveau
de la cuvette de rétention, de facon qu'il entre en contact avec
le revêtement réfractaire sur la plus grande partie de sa surface.
De façon plus précise! l'objet de l'invention est un dispositif pour
empêcher la pénétration dans le sol du corium d'un réacteur nucléaire
fondu, ce réacteur étant supporté par un radier en béton en appui
sur le sol, et supportant une cuvette de rétention dont la partie
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supérieure en contact avec le corium Eondu est congtitué d'un matériau
réfractaiee et c~imiquement inerte, vis-à-vis des constituants dudit
corium, choisi parmi la ~ircone ou la tilorine sous une épaisseur
de l'ordre de 2 à 10 centirnètres, et dont la partie inLérieure est
constituée d'un matériau réfractaire et bon conducteur de la chaleur,
tel que ie graphite, associé à un circuit de re~roidissement par
circulation de fluide, caractérisé en ce que la cuvette est insérée
dans le radier en béton et en ce que le radier comE~orte des moyens
de déviation de l'attaque latérale par le corium fondu de faSon à
obtenir un étalement dudit corium sur une surface sensiblement égale
à celle de la cuvette lorsqu'il va arriver à son niveau.
Les moyens de déviation peuvent être constitués par une pluraLité
de cavités concentriques formées dans le radier au dessus de la cuvet-
te, et disposées en relation superposée, chaque cavité ayant un diamè-
tre externe supérieur à celle qui est immédiatement placée au-dessus
d'elle.
De préférence, la cuvette de rétention est insérée sensiblement à
mi-hauteur du radier, la partie supérieure de celui-ci assurant un
premier ralentissement de la descente du corium en même temps qu'un
étalement latéral, tandis que la partie inférieure demeure intacte
et continue à assurer l'étanclléité de l'enceinte de confinement du
réacteur.
Tel que mentionné plus hau-t, la par-tie inférieure coopère
avec des moyens de refroidissement, connus en eux-mêmes,
pour évacuer le flux thermique recueilli par la cuvette de
rétention.
Les figures 1 à 5 illustrent l'invention.
La figure 1 montre la ~one (en hachures) dans laquelle se situe la
conductivite thermique moyenne des graphites (en W/m.K.) en fonction
de la température.
La figure 2 montre la progression de l'attaque latérale du radier
en béton 4 en fonction de la descente du corium, et le moyen pour
favoriser cette attaque latérale grâce à des séries de cavités 5
convenablement disposées.
~a figure 3 est une coupe très simplifiée de la partie inférieure
d'un réacteur 1 muni de la cuvette de rétention 6 objet de l'invention,
.. . ...
~'` ~' .
~ 'r~'"
53~)
des cavités S favorisant l'attaque latérale, et des moyens de refroidis-
sement 7 de la cuve. On a également représenté l'enceinte du réacteur
2 et l'enceinte de conEinement 3.
La figure ~ est une variante de réalisation clans laquelle la cuvette
de retention 6 comporte une nervure 8 augmentan~ sa surface totale,
donc le flux de chaleur admissible.
La figure 5 montre le détail de réalisation de la cuvette 6, avec
la paltie en graphite 8, le revêtement de zircone 10, le rebord latéral
9 sur lequel le revêtement de zircone a été épaissi, et la position
du système de refroidissement 7.
Considérons tout d'abord le problème du tlux thermiclue à évacuer:
La loi de l'écoulement d'un ~lux thermique en régime permanent, au
travers d'une paroi plane en matériau i est donne par la relation
suivante (loi de Fourier).
~ iS LT2 i ~ T1 iJ
3~=
ei
dans laquelle:
est le Elux thermique
; la conductivité thermiyue du ma~ériau
S la surface de contact
ei l'épaisseur du matériau i
T2 i la température de la ~ace chaude du matériau i
Tl,i la température de la ~ace ~roide du matériau i
On note donc que le Elux évacue sera d'autant plus important que
la conductibilité thermique du matériau i sera élevee et que la sur~ace
de contact (corium-réEractaire) sera importante.
Essayons maintenant de résoudre la première ~onction dévolue au système
de protection: le matériau réfractaire doit etre parfaitement inerte
chimiquement vis à vis des oxydes, notamment de l'oxyde d'urar~ium,
jusqu'à des températures de l'ordre de 2500C: la zircone (PF: 2650C)
remplit ces conditions. Par contre, ce produit a une conductivité
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3853(~
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thermiclue relativement faible (env. 3W/m.K,) ll ne peut donc être
employé seul et en grande épaisseur, car il constituerait un ~rein
à l~évacuation du rlux thermique. La thorine ThO2 peut égalernent
convenir, sous réserve de son prix élevé. Sa conductivité thermique,
variable avec la température est de 2 à 3 Eois supérieure à celle
de la zircone.
La solution réside donc dans un système dans lequel la première fonc-
tion est assurée par une couche de zircone de faible épaisseur, de
l'ordre de 2 à 10 centimètres.
La deuxième fonction est l'évacuation des calories. Le matériau réfrac-
taire parfaitement adapté à cette fonction est le graphite, à condition
qu'il travaille dans des zones de températures peu élevées, car sa
conductivité thermique décroît avec la température (voir eigure 1).
Il y aura donc tout intérêt à maintenir son interface avec la zircone
à une température inférieure à 300C.
En outre, il est souhaitable que la conductivité thermique du matériau
constituant la partie inférieure soit au moins égale à quinze fois
celle du matériau constituant la partie supérieure, qui doit être
comprise, de préférence, entre 1 et 15 W~m.K. C'est le cas du graphite.
Considérons maintenant le problème de la surface (paramètre S de
la formule de Fourier):
Nous avons effectué des calculs thermiques par modélisation pour
voir dans quelle mesure le système que nous avons défini s'insère
à l'intérieur d'un réacteur nucléaire compte tenu de la géométrie
adoptée.
Le coeur 1 d'un réacteur généralement a un diamètre d'environ 5 mètres.
Si l'on pose le coeur du réacteur à l~intérieur de la cuvette, on
trouve que pour un flux à évacuer de 15 MW, la température dans la
couche de zircone se situe vers 6000K. On voit donc qu'il convient
de disposer la cuvette à un emplacement tel que la surface de contact
corium-zircone soit plus importante que celle qui correspond à un
diamètre de cinq mètres (voir exemple 1).
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,,
- ~,.2,~ ,n
En admettant que l'on veuille maintenir la température de l'interface
corium-zircone au voisinage de 15~0C, le calcul montre que la cuvette
doit avoir un dia~ètre de l'ordre de 14-15 mètres (exemples 2 et
3).
Dans ces conditions, une couche de zircone d'une épaisseur de l'ordre
de 5 centimètres est suffisante pour permettre au graphite de travail-
ler dans de bonnes conditions thermiques.
Supposons que dans la configuration considér~e (coeur du réacteur
de 5 mètres de diamètre), on confine le corium de telle manière qu'il
amorce préférentiellement la traversée du radier. Au départ, il est
en contact avec le béton sur une superficie correspondant à 5-6 mètres
de diamètre. Lors de la traversée du radier (figure 2) le corium
fondu attaque le béton en profondeur et latéralement. Latéralement,
l'attaque s'arrête lorsque le béton n'est plus en contact avec le
corium; du fait de sa pénétration progressive dans le radier; la
pénétration latérale, au niveau du front de progression de l'attaque,
est d'autant plus importante que le corium s'étale en largeur Compte
tenu de sa température le corium est, soit à l'état liquide, soit
à un état pâteux à viscosité relativement faible qui lui permet de
remplir tout l'espace accessible sur le front d'attaque. De ce fait,
au cours de sa descente progressive, sa hauteur diminue et sa surface
frontale augmente. L'attaque du radier va donc progresser avec un
certain angle d'élargissement. On aurait donc intérêt à ce que cet
angle d'attaque (par rapport à la verticale) soit le plus grand
possibie, pour que la cuvette de rétention puisse être disposée à
la construction relativement près de la surface du radier.
Cela permet de conserver, sous la cuvette de rétention, une épaisseur
de radier intacte suffisamment importante pour qu'il continue à assurer
pendant de très nombreuses années après destruction accidentelle
du réacteur, ses trois fonctions essentielles: étanchéité aux liquides
et gaz radioactifs, résistance mécanique et intégrité de l'ensemble
de la structureJ et résistance anti-sismique, sans qu'il soit néces-
saire d'augmenter, de facon prohibitive, l'épaisseur initiale du
radier.
En outre, la position de la cuvette de rétention dans le radier doit
répondre à un autre impératif: lors de la descente et de l'étalement
~ ~3853~)
progressif du corium fondu dans le radier en béton, l'énergie produite
par la corium diminue progressivement, par exempLe de 30 à ~0 MW
pour atteindre, asymptotiquement, une valeur de l'ordre de, par exemple
15 MW, yui correspond à l'énergie de désintégration des radio-éléments
à durée de vie moyenne et longue. Il est donc souhaitable que le
corium n'atteigne la cuvette de rétention que lorsque son énergie
est descendue au voisinage de cette lirnite de puissance asymptotiyue.
La modélisation de ce phénomène permet d~évaluer l'épaisseur optimale
de béton à 2 ou 3 mètres pour conciLier les différentes exigences
que l'on vient d'énoncer.
A titre d'exemple, si le radier a une épaisseur initiale de S mètres
et que la cuvette de rétention soit située sous 3 mètres de radier,
il restera près de 2 mètres de radier ;ntact pour assurer les fonctlons
indiquées.
On peut perfectionner ce dispositif en y incorporant des systèmes
déviants appropriés permettant d'accroître la portée de l'attaque
latérale du radier.
Ces systèmes deviants peuvent être constitués par une pluralité de
cavités concentriques formées dans le radier, au-dessus de la cuvette
6, et disposées en relation superposée, chaque cavité ayant un diamètre
supérieur à celle qui est située immédiatement au-dessus d'elle.
L'angle d'évasement ~ formé par l`ensemble des cavités concentriques
est compris entre 45 et 70, et de préférence entre 60 et 70.
Cet angle peut aussi augmenter progressivement du haut vers le bas,
comme cela apparaît sur la figure 2.
Grâce à cet élargissement du front d'attaque du radier, (figure 2)
la cuvette 6 peut alors être disposée sous seulement 2 mètres de
radier au lieu de 3 si l'angle d'attaque ~ est de l'ordre de 60 à
70 (par rapport à la verticale).
Le système de confinement de la pénétration verticale par le corium
est représenté sur la figure 3. Le système de refroidissement 7 a
été simplement schématisé car il ne fait pas partie de l'invention
proprement dite (circulation de fluide ou caloducs, par exemple).
Un tel systeme stoppera la pénétration verticale. Il évitera la pollu-
tion du sous-sol tout en maintenant en espace confiné les vapeurs
.
~.
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.
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'~1 2~3~353~
radioactives.
La figure ~ montre un moyen d'augmenter la surface de la cuvette
en contact avec le corium, grâce à une ou pLusieurs nervures concentri-
ques 8, également recouvertes de zircone 10.
Sur la figure 5, nous avons représenté un détail montrant une facon
de disposer la cuvette de confinement 6. En e~fet, la géométrie de
1'ensemble doit permettre de conserver l'intégrité de toute la structu-
re du réacteur malqré la disparition de la partie centrale. I1 y
a donc tout intérêt à accroître la surface de contact corium réfractai~
re, tout en diminuant si possible le diamètre de la cuvette. Par
ailleurs, l'ensemble devra être adapté au volume du corium. La masse
de corium représente un volume de 30 à ~0 mètres cubes, soit pour
une cuvette de 15 mètres de diamètre une hauteur de coriurn d'environ
centimètres. Ce qui, latéralement, corcespond à environ 5~ de
la surface de contact participant à l'écoulement du Elux Lhermique
et permet de diminuer d'autant les dimensions de la cuvette.
Dans la réalisation selon la figure 5 la partie en graphite 8 à une
épaisseur de 600 mm, et elle est munie d'un rebord 9 et d'un recouvre-
ment de zircone 10 de 50 mm d'épaisseur, dans la partie horizontale,
épaisseur qui a été portée à 100 mm sur le rebord 9. La face inférieure
de la partie en graphite B est en contact avec un moyen de refroidis-
sement 7 non détaillé (circulation de f1uides, caloducs... etc).
EXEMPLES DE MI SE E~N OEWRE
On s'est placé dans les hypothèses suivantes:
- puissance thermique initiale du réacteur 2700 MW
- cuvette de rétention constituée par une épaisseur de graphite de
600 mm recouverte d'une couche de zircone de 50 mm d'épaisseur
- conductivité du graphite de 200 W/m.K. dans le sens horizontal
et de 170 W/m.K. dans le sens vertical, du fait de l'anisotropie
du produit.
- conductivité thermique de la zircone de 3 W/m.K.
- système de refroidissement imposant une température de 50~C sous
la couche de graphite.
, . .. . , . ~ , -
2~3~3~
- flux thermique à évacuer: 15 MW.
- température de Eusioll du corium: de l'ordre de 15nOC
EXEMPLE I : ~à titre comparatif)
l.e revêtement de protection est conforme à celui de la figure 5,
avec un diamètre de 5 mètres, (sensiblement égal à celui du coeur
du réacteur), disposé au-dessus de la cuvette de rétention munie
de sa couche de zircone.
Le calcul thermique montre qu~un tel système ne peut évacuer que
1,2 MW, ce qui est tout à fait insuffisant.
La température (calculée) à mi hauteur dans la couche de zircone
est de 5000C. Il n'y a donc aucune protection ce mode de mise en
oeuvre ne remplit pas les conditions posées.
EXEMPLE ~ (selon l';nvention)
Cas d'un revêtement de protection, selon la figure 5, de 15 mètres
de diamètre.
Le corium étant arrivé au contact de la couche de zircone, sur toute
la surface de la cuvette de rétention, et le flux à évacuer étant
de lS MW, la température moyenne de la zircone, au centre de La cuvet-
te, est de 1000C environ, la température de l'interface corium-zircone
est de 1500C, la température de l'interface zircone-graphite est
de l'ordre de 330C. Cette température d'interface est un peu trop
élevée, et place le graphite dans un domaine de conductivité thermique
peu favorable ~voir figure l); mais le corium est malgré tout retenu
dans la cuvette.
EX~MPLE 3
Le revêtement de protection (cuvettes de rétention) selon la figure
5 a son diamètre porté à 17 mètres.
Le corium étant arrivé au contact de la couche de zircone, sur toute
la surface de la cuvette de rétention, et le flux à évacuer étant
de 15 MW. la température moyenne de la zircone, au centre de la cuvet-
te, est de 310C environ, la température de l'interface coriumzircone
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85;~0
est de 1500C, la température de l'interface zircone-graphite est
de l'ordre de 250C. Cette température d'intecface est correcte,
et place le graphite dans un domaine de conductivité thermique eavorab-
le; I.e but de l'invention est ainsi atteint, et la pénétration. du
corium dans le radier est stoppée avec une très bonne marge de sécurité.
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